- 23 сентября 2026
- 7 минут
- 4
Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.
Ударная вязкость: методы испытаний и влияние температуры
Методы испытаний и влияние температуры ударной вязкозти
Молоток бьёт по зубилу, вагон сцепляется с составом, деталь ловит внезапный толчок — во всех этих случаях материал получает нагрузку не плавно, а резко. И то, как металл переживёт такой удар, зависит от особого свойства, которое проверяют отдельными испытаниями. Ниже разобрано, что такое ударная вязкость, чем удар отличается от спокойного растяжения, какими методами его измеряют и как на результат влияют температура и состав материала.
Ударная вязкость — это способность материала поглощать механическую энергию при деформации и разрушении под действием ударной нагрузки.
Механическая энергия — это физическая величина, описывающая сумму кинетической и потенциальной энергии, которыми обладают элементы механической системы.
Чем удар отличается от растяжения и изгиба?
Главное различие кроется в скорости. При растяжении, сжатии или изгибе энергия к образцу подводится плавно, а при ударе она выделяется мгновенно. Именно поэтому ударная вязкость отражает не просто способность материала поглощать энергию, а способность делать это очень быстро — за доли секунды разрушения.
Из-за этой особенности материал, спокойно выдерживающий статическую нагрузку, может неожиданно расколоться под резким толчком той же силы. Оценить такую реакцию и позволяют ударные испытания.
Как устроены испытания на ударную вязкость?
Лабораторные методы различаются между собой сразу по нескольким признакам:
- по наличию или отсутствию надреза в точке приложения удара;
- по способу крепления образца на стенде;
- по способу подведения нагрузки.
Испытания с надрезом и без него
Когда испытание проводят без надреза, берут лист материала с одинаковой толщиной по всей площади. Для варианта с надрезом на поверхности прорезают канавку — обычно с обратной по отношению к удару стороны, на всю длину или ширину листа, глубиной примерно в половину толщины.
Результаты этих двух вариантов заметно расходятся: ударная вязкость, полученная без надреза, может значительно превышать значение, замеренное на образце с надрезом. Надрез концентрирует напряжение и облегчает зарождение трещины, поэтому именно он делает испытание более строгим.
Три основных метода
На практике чаще всего применяют три подхода:
- испытание по Изоду;
- испытание по Гарднеру;
- испытание по Шарпи.
Как температура меняет результаты испытаний?
Температура — пожалуй, самый сильный фактор, способный развернуть картину испытаний. При нагреве металлы и сплавы становятся мягче и податливее к деформированию — на этом, к слову, и строится термическая обработка при ковке. А вот на сильном холоде те же материалы делаются хрупкими.
Поэтому перед началом испытаний определяют оптимальный температурный режим — минимальные и максимальные значения эксплуатации, при которых материал показывает лучшие результаты. Затем в ходе исследования температуру постепенно снижают до −80…−100 °C, проверяя заготовку на каждом этапе остывания.
Итогом такой серии замеров становится диаграмма, по которой определяют ломкость, прочность, хладноломкость и температуры пластических деформаций. Именно она показывает, при каком морозе материал переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Что ещё влияет на ударную вязкость?
Помимо температуры, на результат воздействуют состав материала и условия самого испытания.
- Химический состав компонентов. Если стальную деталь варили, велика вероятность образования мартенсита. Эта микроструктура способна снизить прочность и, соответственно, ударную вязкость.
- Скорость деформации. Темп, с которым нагружают образец, тоже меняется в ходе лабораторных испытаний и отражается на итоговых значениях.
Как проходит испытание по Шарпи?
Метод Шарпи — самый известный из ударных испытаний, поэтому его стоит разобрать подробно.
Испытание по Шарпи — это метод, при котором призматический образец лежит на двух опорах и принимает удар маятникового копра; линия удара проходит между опорами, напротив надреза.
Для металлических образцов оценивают поглощённую энергию удара в джоулях, а для пластмасс считают собственно ударную вязкость — энергию, отнесённую к площади поперечного сечения в месте удара. Нормативную базу задают два стандарта:
- ГОСТ Р ИСО 148-1 — для металлов;
- ГОСТ 4647 — для пластмасс.
Как работает маятниковый копёр
Копёр поднимают на определённую высоту над образцом и отпускают. Падая, маятник проходит нижнюю точку, разрушает образец и по инерции поднимается вверх. Поглощённая при разрушении энергия пропорциональна разнице между высотой, с которой копёр упал, и высотой, до которой он взлетел после удара. Пройдя нижнее положение, маятник поворачивает стрелку шкалы на угол, соответствующий оставшейся в нём энергии.
Надрез напрямую влияет на исход испытания, поэтому его форму и размеры строго задают в нормативных документах — иначе результаты разных лабораторий нельзя было бы сравнивать.
Формулы расчёта
Поглощённую энергию вычисляют по формуле:
KK = Q · (h₁ − h₂),
где Q — масса маятника; h₁ — высота маятника в начале испытания; h₂ — высота маятника после разрушения образца.
Если у копра нет подъёмной рамы, применяют другую запись:
KK = Q · R · (cos b − cos a),
где R — длина маятника; a — угол отклонения маятника в начале испытания; b — угол его отклонения после разрушения образца.
В чём слабые места метода и как их обходят?
У классического испытания по Шарпи есть заметный минус: оно даёт только суммарную энергию разрушения и ничего не говорит о том, как именно шёл процесс.
Чтобы получить более полную картину, применяют инструментальные методы контроля. Они непрерывно измеряют усилие нагружения прямо в ходе разрушения образца. Это позволяет узнать не только энергию, но и максимальное усилие при разрушении, а значит — увидеть, при какой температуре хрупкий механизм разрушения сменяется пластичным.
Собранные вместе, эти данные — от определения ударной вязкости до расчёта по маятниковому копру и температурной диаграммы — помогают инженеру заранее понять, как материал поведёт себя под резким ударом и на каком морозе он станет опасно хрупким.
